Фильтрующий элемент и способ фильтрования

Фильтрующий элемент и способ фильтрования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данная заявка подается как международная заявка на изобретение по Договору РСТ на имя Дональдсон Компани, Инк., корпорации, находящейся в США, 10 августа 2001 года с указанием всех стран, кроме США, и испрашиванием приоритета по датам подачи заявки США №60/230138, поданной 5 сентября 2000 года, и заявки США №09/871590, поданной 31 мая 2001 года.

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам фильтрации. В частности, изобретение относится к устройству для фильтрации газового потока, например очистки потока воздуха от твердых частиц. Изобретение относится также к способу для достижения желательной степени улавливания твердых частиц из такого газового потока.

Настоящее изобретение является результатом активных исследований, проводимых компанией "Дональдсон Компани, Инк.", Миннеаполис, штат Миннесота, которая является правопреемником в настоящем изобретении. Данное изобретение касается непрерывного совершенствования технологии, которая частично включает в себя предметы, описанные в патентах США: В2 4720292, 416308 (на промышленный образец), 5613992, 4020783 и 5112372. Каждый из упомянутых патентов также является собственностью компании "Дональдсон Компани, Инк.", и полное описание каждого из этих патентов включено в данную заявку путем ссылки.

Изобретение относится также к фильтрам, включающим подложку, содержащую слой тонкого волокна, изготовленный из полимерных материалов, которые могут быть получены с улучшенной стойкостью к воздействию окружающей среды, к высоким температурам, влажности, химически активных материалов и механических напряжений. Такие материалы могут быть использованы для формирования тонких волокон, таких как микроволоконные и нановолоконные материалы с улучшенной стабильностью и прочностью. В связи с тем что размер волокна ограничен, то чрезвычайно большой проблемой является долговечность материалов. Указанные тонкие волокна используют в ряде областей. В одном из вариантов фильтрующие конструкции могут быть получены с использованием такой тонковолоконной технологии. Изобретение относится к полимерам, полимерным композициям, волокнам, фильтрам, конструкциям фильтров и способам фильтрации. Область применения настоящего изобретения, в частности, относится к фильтрации потоков текучей среды от твердых частиц, например потоков воздуха и жидкости (например, неводной или водной). Описанные способы относятся к конструкциям, включающим один или более слоев тонкого волокна в составе фильтрующих материалов. Состав композиции и размеры волокна подбирают для обеспечения комбинации свойств материала и долговечности.

Уровень техники

Потоки газов часто содержат частицы механических примесей. Во многих случаях необходимо удалять некоторые или все твердые частицы из газового потока. Например, воздух, поступающий в двигатели транспортных средств или энергетические установки, потоки газов, поступающие в газовые турбины, и воздушные потоки, поступающие в различные печи, часто содержат механические примеси. Твердые частицы, попавшие внутрь механизмов и машин, могут вызвать значительные повреждения. Обычно требуется удаление твердых частиц из потоков газа на входе в двигатели, турбины, печи или другое оборудование.

Изобретение относится к полимерным композициям с улучшенными свойствами, которые могут быть использованы в ряде областей, включающих формование волокон, микроволокон, нановолокон, волоконного нетканого полотна, плоских волоконных фильтров, проницаемых структур, таких как мембраны, покрытия или пленки. Полимерными материалами по настоящему изобретению являются композиции, обладающие физическими свойствами, которые позволяют получить полимерный материал разнообразной формы или конфигурации, устойчивый к разрушительному действию влажности, нагревания, потока воздуха, химических реагентов и механического напряжения или ударных нагрузок.

При изготовлении нетканых фильтрующих материалов из тонкого волокна используются различные материалы, в том числе стекловолокно, металл, керамика и широкий спектр полимерных композиций. Для получения микроволокна и нановолокна малого диаметра используются разнообразные технологии. Один такой способ предусматривает пропускание материала через тонкий капилляр или отверстие в расплавленном состоянии или в растворе, который затем упаривают. Волокна также можно получать при помощи фильер, широко применяющихся в производстве синтетического волокна, такого как нейлон. Известно также электростатическое электроформование волокна. Такая технология предполагает использование шприцов, фильерных сопел, капилляров или подвижных эмиттеров. Посредством таких устройств получают жидкие растворы полимера, которые затем вытягивают в коллектор посредством высоковольтного электростатического поля. При вытягивании материалов от эмиттера и их ускорении через область действия электростатического поля волокно становится очень тонким и может затем окончательно формироваться путем упаривания растворителя.

Так как в настоящее время число областей применения фильтрующих материалов быстро возрастает, требуются значительно усовершенствованные материалы, стойкие к суровым условиям высоких температур 100-250°F (37,8-121°С), зачастую 140-240°F (от 60°С -116°С) и вплоть до 300°F (149°C), высокой влажности от 10% до 90% и вплоть до 100% относительной влажности, высоких скоростей потоков газа и жидкости, фильтрующие от твердых микро- и субмикрочастиц (в диапазоне от 0,01-10 мкм) и способные удалять как абразивные, так и неабразивные, химически активные и инертные твердые частицы из потока текучей среды.

В связи с этим существует острая необходимость в полимерных материалах, микро- и нановолоконных материалах и фильтрующих конструкциях, обладающих улучшенными свойствами для фильтрации потоков в условиях высоких температур, высокой влажности, высоких скоростей потока и упомянутых твердых микронных и субмикронных частиц.

В настоящее время разработано множество устройств для фильтрации воздуха или газа и удаления твердых частиц. Однако исследования в этом направлении не прекращаются.

Сущность изобретения

В данном изобретении разработаны основные способы создания конструкции и применения устройств для очистки воздуха. Способы включают предпочтительную конструкцию фильтрующего элемента, а также предпочтительные способы применения и фильтрации.

В основном, предпочтительные области применения относятся к использованию в конструкции воздушного фильтра фильтрующего материала зетобразной формы, включающего композиционную подложку и тонкие волокна, что является преимуществом способа.

Фильтрующий материал в составе механически устойчивой фильтрующей конструкции включает в себя по меньшей мере один слой микро- или нановолоконного нетканого полотна в комбинации с материалом подложки. Совместно такие слои обеспечивают чрезвычайно высокую эффективность фильтрации, высокую способность к задерживанию твердых частиц и эффективность очистки при минимальном снижении скорости потока в процессе прохождения газа или жидкости через фильтрующий материал. Подложка может быть расположена со стороны входной поверхности фильтра, выходной поверхности или между слоями. Волокна могут быть расположены со стороны входной поверхности, выходной поверхности или с обеих сторон подложки фильтра независимо от конфигурации фильтра. В основном волокна расположены с входной стороны. Однако в некоторых вариантах может быть использовано расположение с выходной стороны. В некоторых вариантах используют двухстороннюю структуру. В последние годы во многих отраслях промышленности особое внимание уделяется применению фильтрующих материалов для фильтрации, например для удаления нежелательных твердых примесей из текучей среды, такой как газ или жидкость. В обычном процессе фильтрации удаляются твердые частицы из текучих сред, включающих воздушный поток или другой газообразный поток, или из потока жидкости, такого как гидравлическая жидкость, смазочный материал, топливо, потоки воды или других жидкостей. Для таких процессов фильтрации требуются механическая стойкость, химическая и физическая стабильность микроволоконных материалов и материалов подложки.

Фильтрующие материалы могут подвергаться действию различных температурных условий, влажности, механических вибраций или ударной нагрузки, а также химически активных или инертных, абразивных или неабразивных твердых частиц, переносимых потоком текучей среды. В нормальных рабочих условиях фильтр в основном подвергается действию воздуха или действию ближайшей окружающей среды или используется при слегка повышенной температуре. Фильтр может испытывать воздействие более высокой температуры, если двигатель работает в нерасчетном режиме или выключен после длительной работы. Если двигатель выключен, воздух не поступает в фильтр. Фильтр быстро достигает температуры подкапотного пространства. Кроме того, в большинстве случаев для фильтрующих материалов требуется способность фильтрующих материалов к самоочищению путем импульсной обратной продувки (кратковременного изменения направления движения фильтруемой среды для удаления осевших механических примесей с поверхности фильтра), или требуется другой очищающий механизм, способный удалять накопившиеся твердые частицы с поверхности фильтрующего материала. Такая обратная продувка может привести к значительному улучшению свойств, то есть к снижению перепада давления после очистки импульсами давления. Обычно эффективность очистки от твердых частиц после очистки импульсами давления не увеличивается, однако такая очистка снижает перепад давления и обеспечивает экономию энергии для процесса фильтрации. Такие фильтры можно снимать для обслуживания и чистить в водных и неводных чистящих композициях. Такие фильтрующие материалы часто получают путем формования тонкого волокна с последующим формированием слоя переплетенного волокна на пористой подложке. В процессе формования волокна между отдельными волокнами могут образовываться физические связи, придающие слою волокна цельность. Такой материал можно впоследствии использовать для изготовления фильтрующих элементов требуемой формы, например патронов, плоских дисков, коробчатых структур, панелей и мешков. В таких конструкциях фильтрующий материал может быть гофрированным, свернутым в рулон или иным образом размещенным на опорных конструкциях или каркасах.

Описанные в данной заявке фильтрующие устройства могут быть использованы в различных областях, включающих, например, улавливание пыли, воздушные компрессоры, двигатели дорожных и внедорожных транспортных средств, газотурбинные установки, энергетические установки, такие как топливные элементы, и др.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена типичная установка с электростатическим эмиттером для получения тонких волокон по изобретению.

На фиг.2 показана установка, используемая для нанесения тонкого волокна на подложку фильтра в технологии формования тонкого волокна, показанной на фиг.1.

На фиг.3 представлена типичная внутренняя структура материала подложки и отдельно изображен тонковолоконный материал по настоящему изобретению по сравнению с малыми твердыми частицами, то есть размером 2 и 5 мкм.

На фиг.4-11 представлены данные аналитической электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА), полученные согласно примеру 13.

На фиг.12 иллюстрируется стойкость предложенного материала с размером пор 0,23 и 0,45 мкм согласно примеру 5.

На фиг.13-16 иллюстрируется повышенная стойкость материалов согласно примерам 5 и 6 к повышенной температуре и влажности.

Фиг.17-20 демонстрируют, что из смеси двух сополимеров, нейлонового гомополимера и нейлонового сополимера, однократно обработанной нагреванием и смешанной с добавками, образуется однокомпонентный материал, который по своим характеристикам не отличается от двух отдельных полимерных материалов, но является единой фазой, сшитой или связанной другими химическими связями.

На фиг.21 представлена схема системы двигателя, в которой могут быть использованы очистители воздуха по настоящему изобретению.

На фиг.22 представлено схематическое объемное изображение одного из вариантов фильтрующего элемента, который может быть использован в системе, показанной на фиг.21.

На фиг.23 представлено схематическое объемное изображение части фильтрующего элемента (зетобразной конструкции), используемого в устройстве, показанном на фиг.22.

На фиг.24 представлен схематический вид в поперечном сечении фильтрующего элемента, показанного на фиг.22 и установленного в корпус.

На фиг.25 представлен местный схематический вид с увеличением одного из вариантов сжимаемого уплотнительного элемента, используемого в уплотнительной системе фильтрующего элемента, показанного на фиг.22.

На фиг.26 представлено схематическое объемное изображение другого варианта фильтрующего элемента, который может быть использован в системе двигателя, показанной на фиг.21.

На фиг.27 представлен схематический вид в поперечном сечении фильтрующего элемента, показанного на фиг.26 и установленного в корпус.

На фиг.28 представлена объемное изображение с разделением деталей другого варианта фильтрующего элемента и корпуса, которые могут быть использованы в системе двигателя, показанной на фиг.21.

На фиг.29 представлено изображение системы газовой турбины, в которой могут быть использованы фильтрующие элементы по настоящему изобретению.

На фиг.30 представлено схематическое объемное изображение другого варианта фильтрующего элемента, который может быть использован в системах воздухозаборников газовой турбины, показанной на фиг.29.

На фиг.31 представлен вид сзади фильтрующего элемента, показанного на фиг.30, установленного в трубной решетке и включающего в себя префильтр, установленный с входной стороны фильтрующего элемента, показанного на фиг.30.

На фиг.32 представлен местный вид-схема с увеличением в поперечном сечении устройства воздушного фильтра, показанного на фиг.31, причем поперечное сечение выполнено вдоль линии 12-12, указанной на фиг.31.

На фиг.33 представлена схема системы воздухозаборника системы микротурбины, в которой могут быть использованы предложенные фильтрующие элементы.

На фиг.34 схематически представлен вид в поперечном сечении фильтрующего элемента, установленного для очистки воздуха, поступающего в воздухозаборник системы газовой турбины, причем поперечное сечение выполнено вдоль линии 14-14, указанной на фиг.35, но в собранном виде.

На фиг.35 представлено изображение с пространственным разделением деталей, вид сбоку устройства фильтра, показанного на фиг.34, в разобранном виде.

На фиг.36 представлен местный схематический вид в поперечном сечении, показывающий фильтрующий элемент, герметизированный в корпусе фильтра.

На фиг.37 представлена схема воздухозаборника для системы топливного элемента, в котором могут быть использованы предложенные фильтрующие элементы.

На фиг.38 представлен схематический вид в поперечном сечении фильтра, который может быть использован в воздухозаборнике системы топливного элемента, показанного на фиг.37.

На фиг.39 представлен схематический вид в поперечном сечении другого варианта фильтра, который может быть использован в воздухозаборнике системы топливного элемента.

Подробное описание изобретения

А. Микроволоконные или тонковолоконные полимерные материалы

В изобретении представлен усовершенствованный полимерный материал. Такой полимер характеризуется повышенной физической и химической стойкостью. Полимерные тонкие волокна (микро- и нановолокна) могут быть сформованы в продукты пригодного формата. Диаметр волокон может составлять примерно 0,001-10 мкм, примерно 0,005-5 мкм, примерно 0,01-0,5 мкм. Нановолокнами являются волокна с диаметром менее 200 нм или 0,2 мкм. Микроволокнами являются волокна с диаметром более 0,2 мкм, но не более 10 мкм.

Такое тонкое волокно может использоваться для получения усовершенствованного многослойного микропористого фильтрующего материала. Согласно изобретению слои тонкого волокна имеют хаотичное распределение волокон, которые могут быть склеены между собой в сетку из переплетенных волокон. Фильтрование при этом обеспечивается в основном благодаря тонковолоконной перегородке, задерживающей механические примеси. Такие свойства материала как жесткость, прочность, складчатость обеспечиваются подложкой, к которой приклеивается волокно. Важной характеристикой таких сеток из переплетенного тонкого волокна являются тонкое волокно в виде микроволокна или нановолокна и сравнительно малые расстояния между волокнами. Обычно такие расстояния между волокнами примерно составляют 0,01-25 мкм, а чаще - примерно 0,1-10 мкм. Фильтрующие элементы со слоем тонкого волокна и слоем подложки являются тонкими и позволяют выбирать подходящую подложку. Тонкое волокно, наносимое на подложку, добавляет менее 5 мкм, часто менее 3 мкм толщины. В некоторых вариантах слой тонкого волокна увеличивает общую толщину тонкого волокна и подложки фильтрующего материала на величину, составляющую от примерно 1 до 10 или от 1 до 5 диаметров тонкого волокна. Во время работы фильтр может задерживать частицы механических примесей, проходящие на подложку или через тонкое волокно, при этом на поверхности фильтра может накапливаться значительное количество уловленных частиц. Частицы пыли или других механических примесей быстро образовывают осадок на поверхности слоя тонкого волокна, который поддерживает высокую начальную эффективность очистки от механических примесей и общую эффективность очистки всего материала. Даже при относительно малых размерах частиц примесей - примерно 0,01-1 мкм, фильтрующий материал, содержащий тонкое волокно, имеет очень высокую пылеемкость (пропускную способность).

Рассматриваемые полимерные материалы обладают значительно повышенной стойкостью к нежелательным воздействиям, таким как нагревание, влажность, высокие скорости потока, обратная продувка импульсами давления, абразивное действие, субмикронные частицы, очистка используемых фильтров и другие требуемые условия. Повышенная эффективность микроволокон и нановолокон является результатом улучшенных характеристик полимерных материалов, образующих микроволокна или нановолокна. Кроме того, фильтрующие материалы по настоящему изобретению, полученные из усовершенствованных полимерных материалов по изобретению, обеспечивают ряд преимуществ, включая высокую эффективность очистки, низкое гидравлическое сопротивление, высокую долговечность (связанную с выносливостью материала или стойкостью к воздействию окружающей среды) в присутствии абразивных твердых частиц и гладкую внешнюю поверхность, не содержащую свободных волокон или нитей. Общая структура фильтрующих материалов позволяет получить более тонкий материал, который характеризуется повышенной площадью фильтрации на единицу объема, сниженной скоростью прохождения через материал, повышенной эффективностью очистки и сниженным гидравлическим сопротивлением.

В качестве полимера может быть использован полимер, полученный полиприсоединением, полимер, полученный методом поликонденсации, или их смеси или композиции. Предпочтительным вариантом осуществления изобретения является смесь полимеров, содержащая первый полимер и второй полимер, отличающийся от первого (отличающийся типом полимера, молекулярной массой или физическим свойством), которую кондиционируют или обрабатывают при повышенной температуре. Компоненты смеси полимеров могут вводиться в реакцию с получением одного химического вещества или могут комбинироваться физически с получением смешанной композиции путем отжига. Отжиг подразумевает физическое изменение, например изменение кристалличности, релаксация напряжений и изменение ориентации. Предпочтительно материалы вводят в химическую реакцию с получением единого полимера таким образом, чтобы данные дифференциальной сканирующей калориметрии подтверждали получение единого полимерного материала. При использовании такого материала в сочетании с предпочтительной добавкой на поверхности микроволокна добавка может образовывать покрытие, обеспечивающее такие свойства, как олеофобность, гидрофобность или другие качества, обусловливающие повышенную стабильность при контакте с высокими температурами, высокой влажностью и тяжелыми условиями работы. Тонкое волокно этого класса материалов может иметь диаметр от 0,001 мкм до 10 мкм. Применимые размеры включают следующие интервалы: 0,001-2 мкм, 0,005-5 мкм, 0,01-5 мкм, в зависимости склеивания, подложки и варианта применения. Такие микроволокна имеют гладкую поверхность, содержащую отдельный слой материала добавки или внешнее покрытие из материала добавки, которое частично внедрено в поверхность полимера солюбилизацией, вплавлением или обоими методами. К материалам, предпочтительным для применения в таких смешанных полимерных системах, относятся сополимеры нейлона 6, нейлона 66, нейлона 6-10, нейлона (6-66-610) и другие в основном алифатические линейные нейлоновые композиции. Один из предпочтительных материалов, смола - сополимер нейлона (SVP-651) была исследована для установления молекулярной массы титрованием концевых групп (J.E.Waltz и G.B.Taylor, Determination of molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol.19, Number 7, pp.448-450 (1947)). Среднечисленная молекулярная масса (Wn) находилась между 21500 и 24800. Состав композиции оценивался по фазовой диаграмме температуры плавления трехкомпонентного нейлона, содержащего нейлон, нейлон-6 (около 45%), нейлон-66 (около 20%) и нейлон-610 (около 25%) (Page 286, Nylon Plastics Handbook, Mevin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)). Для материала CVP-651 приведены следующие физические характеристики:

Характеристика	Метод ASTM	Единицы измерения	Типичное значение
Удельная масса	D-792	-	1,08
Водопоглощение (при погружении на 24 ч)	D-570	%	2,5
Твердость	D-240	Твердость по Шору D	65
Температура плавления	Термограмма ДСК	°С (°F)	154(309)
Разрушающее напряжение при растяжении	D-638	МПа (килофунт/дюйм2)	50 (7,3)
Предел текучести
Относительное удлинение при разрыве	D-790	%	350
Модуль изгиба	D-792	МПа (килофунт/дюйм2)	80 (26)
Объемное удельное сопротивление	D-257	Ом·см	1012

В таких полимерах может использоваться поливиниловый спирт со степенью гидролиза от 87 до 99,9% и более. Полимеры предпочтительно являются сшитыми. В особо предпочтительном случае используются сшитые полимеры, смешанные с олеофобными и гидрофобными добавками в значительных количествах.

Другой предпочтительный объект по настоящему изобретению включает полимерный материал одного типа в смеси с композицией добавок для повышения ресурса волокон или рабочих свойств. Предпочтительные полимеры, используемые в данном аспекте изобретения, включают полимеры на основе нейлона, поливинилиденхлориды, поливинилиденфториды, поливиниловые спирты и, в частности, те из перечисленных материалов, которые при смешивании с сильноолеофобными и гидрофобными добавками образуют микроволокна или нановолокна, содержащие материалы добавок в составе покрытия на тонковолоконной поверхности. В настоящем изобретении могут быть также использованы смеси аналогичных полимеров, такие как смесь аналогичных нейлонов, аналогичных поливинилхлоридов, смеси поливинилиденхлоридов. Кроме того, в настоящем изобретении используют также смеси полимеров или расплавов различных полимеров. В связи с этим для образования микроволоконных материалов по настоящему изобретению используют совместимые смеси полимеров. В изобретении могут быть использованы композиции добавок, таких как фторсодержащие поверхностно-активные вещества, неионные поверхностно-активные вещества, низкомолекулярные смолы, например трет-бутилфенольная смола с молекулярной массой менее примерно 3000. Смола характеризуется образованием олигомерных связей между фенольными звеньями в отсутствие мостиковых метиленовых групп. Гидроксильные и трет-бутильные группы могут быть хаотично расположены вокруг колец. Образование связей между фенольными звеньями всегда происходит упорядоченным способом, то есть в положении, соседнем с гидроксильной группой. Аналогичным образом, полимерный материал может быть смешан с растворимой в спирте нелинейной полимерной смолой, полученной на основе бисфенола А. Такой материал является аналогичным трет-бутилфенольной смоле, описанной выше, тем, что смола образуется с использованием олигомерных связей, которые напрямую соединяют ароматические кольца друг с другом в отсутствие любых мостиковых групп, таких как алкиленовые или метиленовые группы.

Предпочтительные полимерные системы по изобретению обладают адгезивными свойствами и при контактировании с целлюлозной подложкой приклеиваются к подложке с достаточной силой, что обеспечивает прочное связывание с подложкой и стойкость к отслаиванию при очистке методом обратной продувки и к другим механическим напряжениям. В этом варианте полимер должен оставаться прикрепленным к подложке в условиях очистки импульсом давления, которые в значительной степени идентичны обычным условиям фильтрации за исключением обратного направления импульса давления по отношению к структуре фильтра. Такая адгезия может возникать за счет действия растворителя при формировании волокон в процессе контактирования волокна с подложкой или в результате последующей обработки волокна на подложке нагреванием или под давлением. Характеристики полимера, по всей видимости, имеют большое значение при определении адгезии, например, такие как специфические химические взаимодействия типа водородных связей, контактирование полимера и субстрата при температуре ниже или выше температуры стеклования и состав полимера, включая добавки. Полимеры, пластифицированные растворителем или паром во время склеивания, могут иметь повышенные адгезивные свойства.

Важным аспектом изобретения является эффективность таких микроволоконных или нановолоконных материалов в структуре фильтрующего материала. В такой структуре предложенные тонковолоконные материалы формируют на подложке фильтра или приклеивают к ней. Могут использоваться подложки из натурального волокна или синтетического волокна, например материалы из переплетенного штапельного волокна, нетканые материалы из синтетического волокна и нетканые материалы из смесей целлюлозного, синтетического волокна и стекловолокна, нетканые и тканые материалы из стекловолокна, сетчатые материалы из пластиков, полученные как экструзией, так и перфорированием, ультрафильтрующие и микрофильтрующие мембраны из органических полимеров. Затем на основе листовой подложки может быть выполнен фильтрующий материал, помещаемый в поток текучей среды, например поток воздуха или жидкости, для улавливания из этого потока взвешенных в нем или переносимых им механических примесей. Форма и структура такого фильтрующего материала остается на усмотрение конструктора. Важной характеристикой фильтрующих элементов после их изготовления является стойкость к действию температур, влажности или обоих этих факторов. Одним показателем долговечности предложенных фильтрующих материалов является их испытание погружением в теплую воду на значительное время. Такой эксперимент может дать ценную информацию в отношении способности тонкого волокна выдерживать условия повышенной влажности и температуры, а также выдерживать чистку фильтрующего элемента в водных растворах, которые могут содержать значительную долю поверхностно-активных веществ с сильным чистящим эффектом и сильнощелочных материалов. Тонковолоконные материалы по изобретению предпочтительно могут выдерживать погружение в горячую воду, при этом сохраняется по меньшей мере 30%, предпочтительно 50% тонких волокон, сформованных на поверхности подложки. Сохранение по меньшей мере 30% тонких волокон, предпочтительно 50%, может обеспечивать значительную эффективность очистки для волокон без потери фильтрационной способности или увеличения противодавления. Наиболее предпочтительно сохранение по меньшей мере 75% (волокон). Толщина типичного тонковолоконного фильтрующего слоя находится в диапазоне от примерно 1 до 100 диаметров волокна, а поверхностная плотность в диапазоне от примерно 0,01 до 240 мкг/см².

В потоке текучей среды, такой как воздух или газ, часто присутствуют частицы механических примесей. Такие механические примеси или их часть необходимо удалять из потока текучей среды. Например, механические примеси часто присутствуют в воздухе, подаваемом в кабины транспортных средств, содержащемся в дисководах компьютеров, использующемся в системах нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха, приточной вентиляции помещений и окружающем места использования мешочных фильтров, тканевых перегородок, тканых материалов, в воздухе на входе в двигатели транспортных средств или в энергооборудование, в газовых потоках на входе в газовые турбины, а также в воздухе, направляемом в различные пламенные печи. В случае использования фильтров для очистки воздуха, подаваемого в кабины или салоны транспортных средств, удаление механических примесей желательно для комфорта пассажиров и/или из эстетических соображений. Что касается подачи воздуха и газов в двигатели, газовые турбины и пламенные печи, то удаление механических примесей целесообразно потому, что такие частицы могут серьезно нарушить работу внутренних элементов различных соответствующих механизмов. В других случаях механические примеси могут содержаться в промышленных газах, отходящих технологических газах или выхлопных газах двигателей. Перед тем как направить эти газы через различные аппараты, расположенные за источником таких газов, в атмосферу, может потребоваться их существенная очистка от механических примесей.

Основные принципы и задачи проектирования воздушных фильтров можно понять, рассмотрев следующие типы фильтрующих материалов (фильтровальных перегородок): листовые и зернистые. Каждый из этих типов фильтровальных перегородок глубоко изучен и нашел широкое применение. Некоторые относящиеся к ним принципы описаны, например, в патентах США №5082476, 5238474 и 5364456. Полное описание этих трех патентов включено в данную заявку путем ссылки.

Ресурс фильтра обычно ограничен заданным предельным перепадом давления на фильтре. Постепенный рост перепада давления на фильтре определяет ресурс фильтра на заданном уровне для конкретного варианта применения или конкретной конструкции. Поскольку такой рост перепада давления является следствием накопления осадка на фильтре, больший ресурс обычно прямо соотносится с большей производительностью. Эффективность очистки - это способность фильтрующего материала задерживать механические примеси, пропуская переносящую их фильтруемую среду. Очевидно, что чем эффективнее фильтрующий элемент очищает поток газа от механических примесей, тем быстрее этот фильтрующий элемент, как правило, достигает предельной разности давлений, ограничивающей ресурс (при прочих переменных, сохраняющих постоянное значение).

Подробное описание некоторых чертежей

Микроволокно или нановолокно элемента может быть сформировано с помощью процесса электростатического формования. Подходящее оборудование для формования волокон показано на фиг.1. Это оборудование включает в себя резервуар 80, содержащий раствор полимера для формования тонких волокон, насос 81 и устройство эмиттера ротационного типа или эмиттер 40, в который закачивают раствор полимера. Эмиттер 40 в основном состоит из вращающегося узла 41, вращающегося элемента 42, включающего множество выходных (смешенных) отверстий 44 и вал 43, соединяющий внешний элемент узла и вращающийся узел. Вращающийся узел 41 обеспечивает введение раствора полимера во внешний элемент 42 через полый вал 43. Отверстия 44 расположены по периферии внешнего элемента 42. В другом варианте вращающийся элемент 42 может быть погружен в резервуар с полимером, в который полимер закачивается из резервуара 80 с помощью насоса 81. Вращающийся элемент 42 теперь заполнен раствором полимера из резервуара, и в процессе вращения элемента в электростатическом поле капли раствора ускоряются по направлению к покрываемому материалу 70, как описано ниже.

Напротив эмиттера 40, но на некотором расстоянии от него расположена в основном плоская решетка 60, на которой расположен покрываемый материал 70 (то есть подложка или комбинированная подложка). Через решетку можно пропускать воздух. Покрываемый материал 70 проходит вокруг валков 71 и 72, которые расположены вблизи противоположных концов решетки 60. Высоковольтный электростатический потенциал поддерживают между эмиттером 40 и решеткой 60 с помощью подходящего источника напряжения 61 и контактов 62 и 63, которые соответственно соединяют источник с решеткой 60 и эмиттером 40.

В процессе использования раствор полимера закачивают из резервуара 80 во вращающийся узел 41 или резервуар. Внешний элемент 42 вращается, при этом жидкость выходит из отверстий 44 или собирается из резервуара и движется от внешней кромки эмиттера к покрываемому материалу 70, который расположен на решетке 60. В частности, электростатический потенциал между решеткой 60 и эмиттером 40 сообщает материалу заряд, который способствует распылению жидкости из эмиттера в виде тонких волокон, которые направлены на решетку 60, где они оседают и собираются на подложке 12 или эффективном слое 14. В случае использования раствора полимера растворитель испаряется из волокон в процессе их передвижения к решетке 60; таким образом, волокна достигают подложки 12 или эффективного слоя 14. Тонкие волокна сцепляются с волокнами подложки, попадающими на решетку 60. Силу электростатического поля выбирают таким образом, чтобы обеспечить ускорение движения полимерного материала, поступающего из эмиттера к покрываемому материалу 70, причем величина ускорения является достаточной, чтобы материал приобрел чрезвычайно тонкую микроволоконную или нановолоконную структуру. При увеличении или уменьшении скорости продвижения материала для нанесения можно регулировать количество распыляемых волокон на формуемом материале и тем самым обеспечить контроль толщины каждого наносимого слоя. Расположение вращающегося элемента 42 может быть иметь различную конфигурацию. Вращающийся элемент 42 может быть расположен в плоскости вращения, перпендикулярной поверхности покрываемого материала 70, или расположен под любым произвольным углом. Вращающийся материал может быть расположен параллельно или с небольшим отклонением от параллельного направления.

На фиг.2 показана схема технологической линии формирования слоя тонкого волокна на листовой подложке или фильтрующем материале. На фиг.2 листовую подложку разматывают на позиции 20. Затем листовая подложка 20а направляется в узел соединения полотен 21, где могут соединяться несколько полотен подложки с возможностью последующей непрерывной обработки. Бесконечное полотно листовой подложки направляется в систему формования и нанесения тонкого волокна 22, реализующую способ получения тонких волокон, иллюстрируемый фиг.1, в котором в устройстве формования происходит формование тонких волокон и укладывание тонких волокон в виде фильтрующего слоя на листовой подложке. После формования слоя тонкого волокна на листовой подложке в системе формования и нанесения тонкого волокна 22 слой тонкого волокна и подложка поступают в устройство для термообработки 23 в соответствующих условиях. Затем листовую подложку и слой тонкого волокна испытывают с использованием монитора 24 на эффективность очистки и при необходимости обжимают в узле для прессования 25. Затем листовую подложку и волоконный материал направляют в соответствующий намоточный узел для намотки на соответствующий намоточный вал для дальнейшей обработки в узл